淺析我國海水淡化技術(shù)

邱明英

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

眾所周知，我國的淡水資源十分稀缺，有400多個(gè)城市常年處于缺水狀態(tài)，其中北方沿海諸多地區(qū)屬于最缺水的地區(qū)之一。作為淡水資源的增量技術(shù)，海水淡化技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，有效緩解了沿海地區(qū)尤其是島嶼的用水困境?？紤]到淡水資源的匱乏，水價(jià)的逐步提高，海水淡化技術(shù)的日益成熟、新材料的利用以及工藝國產(chǎn)化對(duì)降低其制水成本的作用，海水淡化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本已呈逐年下降趨勢，是未來緩解國內(nèi)沿海地區(qū)淡水資源短缺的必然趨勢。

海水淡化技術(shù)工藝繁多，技術(shù)種類超過20余種，包括多級(jí)閃蒸法、低溫多效蒸餾法、反滲透法、電滲析法、凍結(jié)法及離子交換法等。鑒于技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)成本的制約，目前已在國際上取得成功商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)主要有三種，分別是多級(jí)閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（LT-MED）和反滲透（SWRO）[1、2]。

1 國內(nèi)主流工藝

1.1 多級(jí)閃蒸（MSF）[3]

多級(jí)閃蒸技術(shù)屬于蒸餾法，是海水淡化中商業(yè)化應(yīng)用較早的工藝之一，國外海水淡化裝置在20世紀(jì)80年代前多采用此技術(shù)。該技術(shù)在1989年首次引入我國，成功應(yīng)用于天津大港電廠二期海水淡化工程，全套多級(jí)閃蒸裝置均為美國進(jìn)口，是迄今為止國內(nèi)唯一一個(gè)采用多級(jí)閃蒸技術(shù)的海水淡化工程。

工藝流程：海水首先經(jīng)過澄清和加氯消毒預(yù)處理，經(jīng)蒸氣預(yù)熱后到達(dá)蒸氣加熱器，被加熱至90℃～115℃后送入第一閃蒸室，同時(shí)控制閃蒸室內(nèi)的壓力低于海水的飽和蒸氣壓，部分海水迅速形成蒸氣，蒸氣經(jīng)除霧器除去雜質(zhì)后在冷凝管束表面冷凝，收集后即可得到淡水；其余沒有氣化的海水溫度降低，流入下一個(gè)閃蒸室繼續(xù)閃蒸，并重復(fù)蒸發(fā)和冷凝的過程，將一系列壓力逐級(jí)降低的閃蒸室串聯(lián)起來，即可連續(xù)產(chǎn)出淡水。工藝流程圖如圖1。

圖1 MSF技術(shù)工藝流程圖

主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備單機(jī)容量大、出水品質(zhì)好（產(chǎn)品水鹽度一般為3～10mg/L）、使用壽命較長、造水比高（規(guī)模在4萬～5萬m3/t的裝置造水比為13～14）、熱效率高等。缺點(diǎn)是操作溫度多為110℃～120℃，設(shè)備材料多采用抗腐蝕性較好的不銹鋼及銅鎳合金，工程投資高，一般為采用反滲透技術(shù)工程的2倍。此外，設(shè)備的操作彈性較小，一般為設(shè)計(jì)值的80%～110%，因此不太適應(yīng)產(chǎn)水量變動(dòng)較大的工程。

適用范圍：多級(jí)閃蒸技術(shù)一般利用電廠的低位蒸氣為熱源以降低運(yùn)行成本，多用于大型海水淡化工程，為燃煤鍋爐提供優(yōu)質(zhì)淡水，此外也可用于生活用水。

1.2 低溫多效蒸餾（LT-MED） [4]

低溫多效蒸餾是20世紀(jì)80年代后逐步發(fā)展成熟的技術(shù)。所謂 “低溫”是指海水最高的蒸餾溫度不超過70℃。該技術(shù)工藝的蒸發(fā)器由一系列連續(xù)的水平噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成。海水在冷凝器中預(yù)熱、脫氣后分成兩股，其中一股排回大海，另一股充當(dāng)進(jìn)料液。加入阻垢劑的進(jìn)料液首先被引入蒸發(fā)器溫度最低的效組中。噴淋系統(tǒng)把料液分布到頂排管上，在自上向下的降膜過程中，一部分海水吸收了管束內(nèi)冷凝蒸氣的潛熱而汽化，冷凝液以淡化水導(dǎo)出，蒸氣進(jìn)下一效組，剩余料液也泵入下一效組中，該效組的操作溫度高于上一效組，在新的效組中又重復(fù)了蒸發(fā)和噴淋過程，直到料液在溫度最高的效組中以濃縮液的形式排出。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 LT-MED技術(shù)工藝流程圖

低溫多效裝置可以用約70℃、0.03～0.035MPa的蒸氣作為熱源，也可采用熱壓縮裝置，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的熱效率。目前絕大部分低溫多效蒸餾工藝采用壓氣蒸餾的方法，利用蒸氣噴射器對(duì)蒸氣壓縮以提高熱效率，稱為熱壓縮（TVC），或采用機(jī)械蒸氣壓縮機(jī)，即機(jī)械壓縮（MVC）。

主要優(yōu)點(diǎn)是無需復(fù)雜的海水預(yù)處理，能適應(yīng)各種海水條件的變化；減少了占地面積、降低了土建成本；耗電量很低（1.5kW·h/m3），熱效率比多級(jí)閃蒸高，約30℃的溫差可達(dá)到10左右的造水比；運(yùn)行溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多級(jí)閃蒸裝置的110℃，能耗和管壁腐蝕及結(jié)垢速率均較低，而熱效率較高；操作彈性很大，負(fù)荷范圍從110%變到40%，皆可正常操作，且不會(huì)使造水比下降。缺點(diǎn)是與反滲透工藝相比，設(shè)備體積較大，設(shè)備造價(jià)相對(duì)較高。

適用范圍：低溫多效蒸餾與多級(jí)閃蒸的適應(yīng)條件基本相同。低溫多效蒸餾技術(shù)近年來在國內(nèi)的主要應(yīng)用包括河北首鋼京唐鋼鐵廠5萬m3/t水電聯(lián)產(chǎn)海水淡化工程、天津北疆一期20萬m3/t海水淡化工程等。

1.3 反滲透（SWRO）[5]

反滲透（SWRO）技術(shù)是對(duì)反滲透膜一側(cè)的水施加大于滲透壓的壓力，水分子利用反滲透膜的選擇透過性不斷地透過反滲透膜，在反滲透膜的出水側(cè)收集后最后在出水端流出，而進(jìn)水中的雜質(zhì)被截留在反滲透膜的進(jìn)水側(cè)，然后在濃水出水端流出。

反滲透裝置由高壓泵、能量回收裝置、壓力提升泵、反滲透裝置、變頻控制柜及輔助設(shè)備組成。海水經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物后，經(jīng)高壓泵增壓送入第一個(gè)膜元件，在較高壓力下，在螺旋卷繞的進(jìn)水隔網(wǎng)通道內(nèi)流動(dòng)，其中一部分水分子不斷滲透過膜，經(jīng)產(chǎn)水隔網(wǎng)流道進(jìn)入到卷式膜元件的中心管，生產(chǎn)出淡水。其余進(jìn)水沿著水流方向繼續(xù)流動(dòng)至下一個(gè)膜元件，通過多個(gè)膜元件的串聯(lián)，連續(xù)產(chǎn)出淡水。該技術(shù)系統(tǒng)的核心是反滲透膜。當(dāng)前主流的滲透元件為8英寸元件（直徑20cm），更大的16英寸元件（直徑40cm）已在新加坡的海水淡化工程中使用，極可能成為今后的主流元件。該技術(shù)系統(tǒng)不消耗蒸氣，只消耗電能，用電量的多少與進(jìn)水的含鹽量、水溫度、濃縮倍率及出水的水質(zhì)有關(guān)，其能耗一般為9～10kW·h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為3.5～6kW·h/m3。

反滲透技術(shù)與多級(jí)閃蒸、低溫多效蒸餾技術(shù)相比，不需要消耗蒸氣，具有高效率、低能耗、設(shè)備緊湊美觀、易自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。目前，該技術(shù)系統(tǒng)的大部分設(shè)備已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但高壓泵、能量回收裝置及部分膜組件的技術(shù)仍處于摸索階段，設(shè)備需要進(jìn)口。缺點(diǎn)是膜的膜通量對(duì)溫度較敏感，特別是在冬季水溫低時(shí)，膜通量會(huì)大幅下降。

適用范圍：適用于各種海水淡化工程。近年來國內(nèi)具有代表性的應(yīng)用包括山東青島百發(fā)10萬m3/d海水淡化工程、山東青島董家口10萬m3/d海水淡化工程、天津大港新泉10萬m3/d海水淡化工程等。工藝流程圖見圖3。

圖3 SWRO技術(shù)工藝流程圖

1.4 技術(shù)性能對(duì)比

3種淡化工藝的技術(shù)性能見下表[6～8]。

海水淡化3種工藝技術(shù)的比較表

從表中可看出，蒸餾法與反滲透法的主要技術(shù)區(qū)別是：對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求不同、單機(jī)產(chǎn)水量不同、變工況能力不同、能（熱）耗不同等。蒸餾法在裝置規(guī)模、預(yù)處理系統(tǒng)的要求、出水水質(zhì)、運(yùn)行可靠性及電耗方面具有明顯優(yōu)勢，但蒸餾法的總能耗比反滲透法高。從海水用量上看，反滲透法水的利用率高，因此取水量較少。在變工況能力上，反滲透法則沒有限制。

2 國內(nèi)海水淡化現(xiàn)狀[9、10]

目前，我國已將開發(fā)和合理利用淡水資源提升到戰(zhàn)略層面，海水利用已成為 “十三五”海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范重點(diǎn)支持的三大產(chǎn)業(yè)之一?！度珖Ｋ谩笆濉币?guī)劃》明確指出：截至2020年底，國內(nèi)海水淡化工程產(chǎn)能要達(dá)到220萬m3/d以上，新增沿海城市海水淡化工程規(guī)模要達(dá)到105萬m3/d以上，海水利用力爭實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

截至2016年底，國內(nèi)共建成海水淡化工程131個(gè)，產(chǎn)水能力達(dá)到118.80萬m3/d。其中，2016年海水淡化工程新增產(chǎn)能17.90萬m3/d。在技術(shù)應(yīng)用方面，我國海水淡化工程多采用反滲透、低溫多效蒸餾技術(shù)。采用反滲透技術(shù)的海水淡化工程共計(jì)112個(gè)，產(chǎn)能達(dá)到81.26萬m3/d，占總產(chǎn)能的68.40%；采用低溫多效蒸餾技術(shù)的工程有16個(gè)，工程總規(guī)?？蛇_(dá)36.92萬m3/d，占總產(chǎn)能的31.07%；采用多級(jí)閃蒸技術(shù)的工程只有1個(gè)，工程規(guī)模約為0.6萬m3/d，僅占總產(chǎn)能的0.50%。2016年國內(nèi)海水淡化年產(chǎn)水成本在5～8元/m3，主要包括電力消耗成本、蒸氣消耗成本、藥劑消耗成本、膜更換成本、人工成本、折舊成本及維護(hù)成本等。其中，日產(chǎn)水能力在萬噸級(jí)以上的產(chǎn)水成本平均為6.22元/t，日產(chǎn)水能力在千噸級(jí)的產(chǎn)水成本平均為7.2元/t。

3 結(jié)語

以海水淡化為代表的海水利用技術(shù)已成為解決我國淡水資源短缺最重要的途徑，國內(nèi)技術(shù)主要以反滲透和多效蒸餾為主，反滲透技術(shù)由于工藝的便捷性、通用性，市場有逐步擴(kuò)大的趨勢。不同的海水淡化方法有各自的優(yōu)勢，用途不同且不能相互替代。因此，應(yīng)在充分了解海水淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境特征和運(yùn)行目標(biāo)，進(jìn)行具體的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析與遴選，選擇更加適合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的工程方案。

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